基于問題的工程流體力學課程翻轉課堂探討

黃莉

摘 要：文章針對工程流體力學傳統課堂教學中學生對難點接受度較差，面對工程問題時分析解決能力不足等問題，利用當前MOOCs、微課等新型教學模式提供的大量優質教學視頻的便利，探討以“問題”引導學生學習和思考、檢驗學習效果的翻轉課堂教學模式在工程流體力學課程中的應用，結合教學實踐，對問題的設置、視頻知識點的選取提出了建議。

工程流體力學是土建、水利、動力等多個工科專業的專業基礎課，課程理論性較強，同時也注重工程應用；在教學中，傳授理論知識和培養學生解決實際工程問題的能力并重。多年授課實踐表明：在傳統教學模式中，以教師課堂講授為主導，學生課后通過作業、復習等過程實現知識的內化，學生課前預習較少，一旦課堂上接觸到較難或應用靈活的知識點時接受度較差，而課后的復習和練習都是獨立完成，遇到問題難以及時得到解答，容易造成問題的積滯，進而有損學生學習的積極性和主動性，不利于培養工程實踐能力，影響學習效果。

2007年出現的翻轉課堂能夠很好地解決上述問題。它起源于美國科羅拉多州落基山“林地公園”高中。在課前，通過信息技術的輔助，以學生自主觀看教學視頻的方式完成知識的傳授；在課上，教師引導并幫助學生實現知識的內化。“翻轉課堂”翻轉了傳統的教學模式，提高了學生參與度，調動了學生學習的主動性。同時，隨著2008年以來國內MOOC、微課等新型教學模式的快速發展，可以在線上獲取世界頂級高校以及國內一流高校的優質教學視頻，為翻轉課堂的開展提供了便利。但是如何檢驗視頻教學效果？如何啟發學生思考呢？本文提出用“問題”作為貫穿翻轉課堂全過程的指引線，引導學生理解和思考，并探討了在實現工程流體力學課程翻轉課堂過程中可能遇到的主要問題，希望為該課程的教學改革提供一些參考。

一、翻轉課堂的教學安排

1.問題的設計

基于問題的翻轉課堂的教學安排與傳統教學完全相反，主要安排如下：

課前：觀看教學視頻，回答初級問題。

課上：

（1）知識點提要。

（2）解答學生問題。

（3）提出深化問題，快速測評。

（4）解決深化問題，知識內化。

根據工程流體力學的課程特點，整個教學過程設置了三類問題：①針對教學視頻的初級問題。這類問題以理論知識為主，呈現視頻教學的主要知識點，比較簡單，易于回答，是對視頻教學效果的一個初步檢驗。學生可根據這些問題進行自查，調動學習主動性。②由學生向教師提出的問題。學生完成視頻學習后，可能會對某些知識點或其延伸產生疑惑，在課堂上，教師應鼓勵學生積極提出問題，并有針對性地解答，完成個性化理論知識傳授，同時還可以帶動其他同學積極思考。③深化問題。這類問題是針對知識應用層面擬定的探究性、趣味性問題，以工程實例為主，旨在啟發學生主動思考，培養工程實踐能力。問題應有一定難度，學生解決這些問題后還可體會到學習的成就感，更進一步激發其學習積極性。

2.教學實例

下面以流體運動原理中的“恒定元流伯努利方程”為例說明問題的設計。

教學視頻后的初級問題可以設置為：方程成立的條件是什么？方程各項的物理意義和幾何意義是什么？這兩個問題都是針對該知識點的重點部分提問。第一個問題比較簡單，主要是提醒學生注意，易于回答；第二個問題對方程的理解更進一步，需要學生自主思考才能充分理解，勢必會有學生會產生疑問，留待課堂解決。

在課堂上，首先花費3分鐘左右時間對這部分內容的主要知識點進行提取，包括方程推導的原理、方程的應用條件以及各項的含義，再請學生提問，有針對性地為學生答疑解惑。

在方程的理解和應用方面，分別提出深化問題。在方程的理解方面可提問：與流體靜力學基本方程相比較，兩者的異同點在哪里，有何意義？該問題有助于學生進一步理解方程的推導，加深對方程物理意義的認識，并將流體靜力學與運動學相統一，讓學生體會力學知識的整體性，做到融會貫通。針對方程應用方面可結合一些小實驗現象提問，比如吹紙實驗：將兩張紙平行放置，向中間吹氣，紙不是分開而是靠在一起；或者漏斗吹乒乓球實驗：漏斗大口向上，內部放置乒乓球，用力向小口吹氣，無法將乒乓球吹起。或改為漏斗大口朝下吹氣，乒乓球不會掉落，請學生用“恒定元流伯努利方程”解釋這些現象。上述實驗現象有悖于日常生活經驗，而學生對體育活動有著的親身體驗，這些問題趣味性強，學生會產生解答問題的強烈的好奇心和積極性，有助于培養學生分析解決實際工程問題的能力。

二、翻轉課堂的教學內容

1.教學內容的重新整合和選取

當前國內高校采用的工程流體力學教材基本都是為傳統教學模式而設計，教材在知識體系的構架和內容采編上注重知識的系統性和邏輯的嚴密性，其主要知識點由教師花費大量課堂時間講授。然而在翻轉課堂中，理論知識的傳授主要依靠視頻教學和自學，課堂上主要進行答疑、探討、啟發式的互動，機械的知識傳統方式少了，主動的思考討論方式多了，必然要求教師對總體教學內容重新整合。

每一次的課堂教學可設置主題，課堂討論圍繞這個主題發散開來。比如在上述教學實例中，課堂討論圍繞伯努利方程展開，包括方程各項的物理意義、幾何意義、方程與靜力學基本方程的對比，以及方程在生活現象中的體現而展開，還可以進一步引申到工程應用中，對學生知識掌握的深度和廣度都有保障。

2.教學視頻知識點的選取

現有實踐和研究表明，教學視頻控制在10分鐘左右更符合人類學習認知以及精力集中的特點，而且知識點不能太多，也不宜太難。因此，教學視頻的知識點需要在傳統教材的基礎上重新選取，做到重點突出、生動有趣，充分調動學生的學習熱情，為課堂的進一步討論提供條件。

同樣以“恒定元流伯努利方程”為例說明在制作教學視頻時教學內容的選取方法。該方程的推導有多種方法，目前國內大部分教材是從理想流體運動微分方程出發，在五個特殊條件下，依據嚴格的數學知識推導。這種方法表達嚴謹，思路清晰，但面對復雜的微分公式，學生難免會感覺艱深枯燥。因此，在教學視頻中可以采用另一種推導方法，即從功能原理出發，針對滿足五個條件的特殊流動建立功能關系式，就能得到伯努利方程。

三、視頻制作

教學視頻時間短、內容精，在設計制作的時候，還應充分利用現有的信息技術手段，使視頻表現形式豐富精美。聲音方面除了講授者的聲音外，必要時可以加入背景音樂或音效，改變原有節奏，提醒學生注意；畫面可以是公式的推演、實驗現象的展示，可以全屏，也可分屏對比。比如分屏演示和對比水、油、蜂蜜幾種不同黏性液體流動狀態的差別，使得視頻更加直觀、立體、豐富多樣，學生們不會對本身相對枯燥的理論知識感到厭煩和疲倦；還可以利用超星等提供的學習平臺實現與學生的問答互動，及時獲取學生的學習進度和學習質量等數據，教師可據此及時補充和調整教學內容，使教學質量得到提高。

參考文獻：

[1]楊云川，廖麗萍.《流體力學》課程教學的多元模式[J].高教學刊， 2015（3）：28-30.

[2]朱常龍.流體力學教學思考[J].力學與實踐，2011（33）：94-96.